Distanzabhängiger Energietransfer zwischen organischen Fluorophoren und einwandigen Kohlenstoffnanoröhren

ZUSAMMENFASSUNG Einwandige Kohlenstoffnanoröhren ( single‐walled carbon nanotubes , SWCNTs) sind aufgrund ihrer hohen Sensitivität und ihrer intrinsischen Fluoreszenz im nahen Infrarot eine vielversprechende Plattform für die optische Biosensorik. Während einzelsträngige DNA‐SWCNT‐Hybride bereits umfassend untersucht wurden, ist die strukturelle Anordnung von doppelsträngiger DNA (dsDNA) auf SWCNTs und deren Auswirkung auf die Wechselwirkungen zwischen Exzitonen und Fluorophoren noch nicht ausreichend charakterisiert. Hier stellen wir einen Energietransfer von Fluorophoren auf Kohlenstoffnanoröhren mit vertikalen Nukleinsäuren ( carbon nanotube energy transfer with vertical nucleic acids , CNETvNA) vor. Wir positionieren Fluorophore DNA‐basiert, durch eine Hybridisierung von komplementären Sequenzen in definierten Abständen zu SWCNTs. Durch eine systematische Variation der Duplexlänge (12 – 24 bp) untersuchen wir die Abstandsabhängigkeit der Wechselwirkungen zwischen Farbstoffen und SWCNTs auf Einzelmolekülebene. Die Fluoreszenzlebensdauer zeigt ein effizientes Quenching der Farbstoffe ATTO542 und ATTO643, wobei die Lebensdauerverteilungen heterogene Doppelstrangkonformationen widerspiegeln. Molekulardynamiksimulationen zeigen, dass dsDNA‐Duplexe eine überwiegend senkrechte Ausrichtung relativ zur SWCNT‐Achse einnehmen, wobei ihre Neigung und Konformationsvariabilität mit größerer Länge zunimmt. Durch die Kombination von Experimenten und Molekulardynamiksimulationen ermitteln wir eine Abstandabhängigkeit von d − 5 mit 7,4 ± 0,7 nm für eine Quenching‐Effizienz von 50 %. Diese Abstandsabhängigkeit stimmt mit den theoretischen Vorhersagen für die Interaktion zwischen punktförmigen Diopolen als Donoren und eindimensionalen Akzeptoren überein. Insgesamt liefern die Ergebnisse strukturelle Einblicke in DNA‐SWCNT‐Konjugate und etablieren CNETvNA als rationales Designprinzip für SWCNT‐basierte Biosensoren.